氮化硅陶瓷球的滚动接触疲劳寿命研究

论文摘要

陶瓷轴承是为解决传统轴承在超高速、腐蚀、高温及其它恶劣工况下难以工作的问题而研制的一种新型轴承，陶瓷球是陶瓷球轴承的重要零件之一，滚动接触疲劳寿命是评价其能否用于滚动轴承的主要技术指标。本文作为上海市科技发展基金重点项目的一部分，对轴承用氮化硅（Si3N4）陶瓷球的滚动接触疲劳性能进行了理论和试验研究，完成的主要工作有：一、设计和研制了一台三点接触纯滚动轴承球的强化接触疲劳寿命新型试验装置，被试球在最大圆截面上受到三次等接触强度的循环接触载荷的作用，并沿此圆周作纯滚动；克服了传统试验机因接触点少、或是滚／滑状态、或需其它附加结构等缺点，有效地减少了试验结果的影响因素。二、利用现代传感技术、数据采集技术、信号分析和处理技术及微机控制技术，开发了上述疲劳试验机的测控系统，便于自动记录和监控试验机的运行状态以及被试轴承球的工作状态。当试验出现异常，系统能够自动识别并采取相应的措施，保证试验机安全可靠地运行，减轻了实验人员的劳动强度，提高了试验效率。三、对GCr15钢球和二种分别由气压烧结工艺生产的GSN-200及热等静压工艺生产的NBD-200 Si3N4陶瓷球进行了滚动接触疲劳性能的对比试验研究，通过疲劳失效球表面的显微观察，验证了陶瓷球的疲劳失效形式同钢球一样仍为表层剥落。利用韦布尔理论处理疲劳寿命试验数据的结果表明，被试的GSN-200陶瓷球的疲劳寿命与GCr15钢球相当，而NBD-200陶瓷球的寿命则要远长于前两者。试验还表明，在相同试验工况下，两种陶瓷球的运行温升均低于钢球，而疲劳剥落发展速度则慢于钢球。四、通过扫描电镜和光学显微镜对失效球的疲劳表面及其剖面进行观察，分析了陶瓷球的失效原因、失效现象和失效机理。分析表明在剥落形成过程中次表面裂纹起着主导作用，这些裂纹起源于材料的体积缺陷，受到滚动接触引起的最大主拉应力作用，从次表面向表面扩展，最终导致疲劳剥落，剥落轮廓为椭圆锥状。五、利用扫描电子显微和纯滚动加速疲劳试验技术，研究了Si3N4陶瓷球的显微结构对滚动接触疲劳性能的影响。研究表明，显微结构不仅影响韧性、强度等力学性能，同时也影响滚动接触疲劳性能。六、应用弹性接触力学和赫兹理论分析了纯滚动条件下陶瓷球表面层接触应力，得到了表面层最大主拉应力场，并与相应的纯滚动接触疲劳试验的裂纹进行对照，分析表明，理论计算的最大主拉应力等高线与实际的裂纹走向趋于一致，从而验证了陶瓷球失效的临界应力为最大主拉应力。七、针对球与圆柱接触模型中的陶瓷球，利用Weibull断裂统计方法导出球疲劳失效概率与寿命之间的关系方程。在相关额定寿命与最大接触应力的数值解基础上，基于最大主拉应力，构建了全新的si3N4陶瓷球的滚动接触疲劳寿命与接触应力的数学模型。经与不同接触应力水平下的滚动接触疲劳寿命试验结果验证，表明了该拉应力-寿命模型的可行性。通过与L-P剪应力-寿命模型预测结果的比较，说明拉应力-寿命模型更适合于陶瓷球的滚动接触疲劳寿命预测，进而验证了该模型的正确性。本文研究成果为陶瓷球的滚动接触疲劳寿命提供了新的试验方法和理论分析模型，有助于陶瓷球的设计与工艺改进和合理使用，也为陶瓷轴承的寿命分析打下了良好的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 主要符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 陶瓷轴承的优越性能及其应用领域
• 1.2.1 优越性能
• 1.2.2 应用领域
• 1.3 陶瓷轴承的研究现状
• 1.3.1 国外状况
• 1.3.2 国内状况
• 3N₄陶瓷球的滚动接触疲劳寿命研究概况'>1.4 Si₃N₄陶瓷球的滚动接触疲劳寿命研究概况
• 1.4.1 滚动接触疲劳试验技术
• 3N₄陶瓷球疲劳试验'>1.4.2 Si₃N₄陶瓷球疲劳试验
• 1.4.3 疲劳寿命理论
• 1.5 主要研究内容
• 第二章 三点接触纯滚动轴承球疲劳寿命试验机研制
• 2.1 引言
• 2.2 试验机设计
• 2.2.1 试验机总体设计
• 2.2.2 试验机的工作原理
• 2.2.3 设计中的关键问题及其解决方案
• 2.3 本章小结
• 第三章 三点接触纯滚动轴承球疲劳试验机测控系统的设计与开发
• 3.1 引言
• 3.2 数据采集系统的设计与组建
• 3.2.1 数据采集系统简介
• 3.2.2 数据采集系统的设计
• 3.3 试验机测控系统的设计与组建
• 3.3.1 测控系统的任务及要求
• 3.3.2 测控系统的硬件配置
• 3.3.3 测控系统的软件设计
• 3.4 本章小结
• 第四章 轴承球滚动接触疲劳性能试验
• 4.1 引言
• 4.2 试验
• 4.2.1 测试样品
• 4.2.2 试验条件
• 4.2.3 润滑状态
• 4.3 试验结果
• 4.3.1 试验数据统计
• 4.3.2 试验数据处理方法
• 4.3.3 滚动接触疲劳寿命
• 4.3.4 参数估计精度
• 4.3.5 温升
• 4.3.6 剥落形成速率
• 4.4 失效模式
• 4.4.1 钢球与陶瓷球失效模式比较
• 4.4.2 不同应力下陶瓷球的剥落形式
• 4.5 分析讨论
• 4.5.1 起源于体积缺陷的疲劳裂纹的扩展
• 4.5.2 次表面应力对剥落的影响
• 4.6 本章小结
• 3N₄陶瓷球显微结构与滚动接触疲劳性能'>第五章 Si₃N₄陶瓷球显微结构与滚动接触疲劳性能
• 5.1 引言
• 5.2 试验
• 5.2.1 试验样品
• 5.2.2 材料特性
• 5.2.3 接触疲劳试验及接触疲劳性能
• 5.2.4 接触疲劳剥落形式及其分析
• 5.3 本章小结
• 3N₄陶瓷球滚动接触疲劳拉应力寿命模型'>第六章 Si₃N₄陶瓷球滚动接触疲劳拉应力寿命模型
• 6.1 引言
• 6.2 弹性接触应力分析理论
• 6.2.1 基本假设
• 6.2.2 应力分量计算
• 6.2.3 最大主拉应力计算
• 6.2.4 点接触的Hertz弹性接触理论
• 6.3 计算实例
• 6.4 理论计算与试验结果的比较
• 6.5 失效概率计算模型
• 6.6 滚动轨迹横截面最大主拉应力分析
• 6.7 拉应力寿命模型
• 6.7.1 参数的确定
• 6.7.2 接触疲劳寿命预测
• 6.7.3 试验验证
• 6.8 讨论
• 6.9 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间的研究成果
• 作者在攻读博士学位期间获奖情况
• 致谢